DK166521B1 - Optisk fiberkobling med forbedrede transmissionsegenskaber - Google Patents

Description

i DK 166521 B1

Opfindelsen angår en optisk fiberkobling af den i krav l's indledning del angivne art.

Ved transmission af lysenergi vil det ofte være nødven-5 digt at formindske eller helt eliminere tilbagerefleksionen af transmitteret energi langs transmissionsaksen, f.eks. fra energikoblingsgrænseflader. Sådanne refleksioner af energi ind i en lasers energiudgang kan fremkomme ved koblingsgrænsefladen mellem laserens udgangsfiber og 10 en anden fiber, og den tilbagereflekterede energi kan påvirke den med laseren opnåelige udgangsenergi og ydeevne i væsentlig grad.

Energirefleksioner ved koblingsgrænseflade mellem fiber-15 ender kan elimineres ved: (1) at bringe de lysførende fiberkerner i fysisk kontakt med hinandén; (2) at anbringe en optisk tilpassende fluid eller gel mellem fibrene; eller (3) at coate fiberender, der ikke er i kontakt med hinanden. Hver af disse teknikker medfører væsentlige 20 ulemper ved fremstillingen eller ved den praktiske anvendelse af optiske fiberkoblere.

Forudsigelighed og langtidsstabilitet ved sådanne optiske konnektorers ydeevne er meget væsentlige faktorer ved 25 overordnet systemdesign. Begrænsede konnektortab med konstant størrelse vil være acceptabelt i systemdesign, hvorimod konnektorændringer som følge af variationer i den reflekterede mængde energi tilbage langs energitransmissionsaksen, f.eks. langs laserens udgangsfiber, ikke 30 vil være acceptabelt for en systemdesigner. Med en optisk fiberkobler af den i indledningen nævnte art og kendt fra europæisk offentliggørelsesskrift nr. 88 410, danner akserne for fibrene, mellem hvilke lyset skal overføres en ret linie, der imidlertid er skråtstillet i forhold til 35 fibrenes endeflader, der er vinkelrettet på koblingens længdeakse. Koblingens elementer skal derfor bringes til at flugte såvel aksialt som med hensyn til rotation. Det- 2 DK 166521 B1 te komplicerer fremstillingen og håndteringen af fiberkobleren .

Japansk offentliggørelsesskrift nr. 59 57 209 angiver et 5 koblingsaggregat mellem en optisk fiber med cirkulært tværsnit og en optisk bølgeleder med en anden form. Den optiske fiber er afskåret med et skråt snit, så at fiberenden bibringes den samme ikke-cirkulære form som bølgelederen. Der er ingen angivelse af hvorledes fiberen og 10 bølgelederen monteres i forhold til hinanden.

Japansk offentliggørelsesskrift nr. 59 134 885 angiver et aggregat til at føre en laserstråle ind i eri optisk fiber uden at reflekteret lys føres tilbage til laseren, hvil-15 ket opnås ved at skråt slibe den optiske fiber. Det reflekterede lys fra fiberens endeflade vil således ikke være parallel med det på inderfladen indfaldende lys.

Japansk offentliggørelsesskrift nr. 52 9449 angiver en 20 holder for en optisk fiber, hvilken holder har en lille konusvinkel i konushullet for kabelkernen, så at fiberens længdeakse kun kan mistilpasses med denne konusvinkel i forhold til husets centrale centerakse. Lysstråler, der afgives fra den optiske fibers endeflade antager samme 25 vinkel, hvis endefladen er slebet vinkelret på fiberens længdeakse. Mistilpasningsvinklen for lysstrålen, der afgives fra endefladen er større end vinklen, hvis fiberendefladen er slebet coplanar med holderens endeflade, hvilket er standardpraksis. Under alle omstændigheder fo-30 rekommer der en mistilpasning af den afgivne lysstråle i forhold husets centerakse, hvorved energitabene forøges.

Med de i krav 1' s kendetegnende del angivne foranstaltninger løses problemet med, hvorledes en optisk fiberkob-35 ling forbedres, så at lysenergi transmitteres med konstante lave energitab og lave reflektivitetskarakteri-stikker, hvor koblingen besidder en enkel konstruktion og 3 DK 166521 B1 er nem at anvende. Den første og anden vinkel vælges med henblik på både at eliminere refleksion tilbage langs den første fiber fra dens endeflade og for at tilvejebringe en effektiv kobling af energi fra fiberens endeflade 5 langs energiudbredelsesaksen.

Hensigtsmæssige udførelsesformer for opfindelsen er angivet i underkravene.

10 Opfindelsen skal i det efterfølgende forklares i forbindelse med foretrukne udførelsesformer og under henvisning til tegningen, hvor: fig. 1 viser et tværsnit gennem et optisk fiberkoblings-15 aggregat ifølge opfindelsen, hvor den optiske fiber ikke er vist i snit? fig. 2 viser et endebillede af det i fig. 1 viste koblingsaggregat ; 20 fig. 3 er et skematisk billede i større målestok af den i fig. 1 viste optiske fiber; fig. 4 viser i endnu større målestok en del af det i fig.

25 1 viste koblingsaggregat; fig. 5 viser i snit en første udførelsesform for en kon-nektor ifølge opfindelsen; 30 fig. 6 illustrerer hvorledes de i fig. 5 viste fibre er placeret i forhold til hinanden; fig. 7 i snit viser en anden udførelsesform for en kon-nektor ifølge opfindelsen; og fig. 8 illustrerer hvorledes fibrene i den i fig. 7 viste udførelsesform er placeret i forhold hinanden.

35 4 DK 166521 B1

Der henvises nu "til fig. 1 og 2, hvoraf det fremgår, at et optisk fiberkoblingsaggregat 10 omfatter en bøsning eller et hus 12 med en fiber 14, der har en lysførende central kerne 26 beliggende i en passage 16, der forløber 5 langs husets centrale akse 18. Huset 12's ene ende afsluttes i en kegleflade 20, og passagen 16 danner en spids vinkel med aksen 18. Fiberen 14 har en endeflade 22, der er skråtslebet .i forhold til fiberens centrale længdeakse 24. Huset 12 har flader 12a og 12b i umiddel-10 bar nærhed af fiberens endeflade 22, og disse flader er ligeledes skråtstillede i forhold til fiberens længdeakse.

Fig. 3 viser en fiber 14 med en keglediameter D, hvor fi-15 beren 14's sædvanlige, plane endeflade 30 er skråtslebet til dannelse af den skrå endeflade 22. Fiberen 14 er skråtstillet i forhold til husets akse 18, hvorved der fremkommer en første spids vinkel I. Endefladen 22 danner en anden spids vinkel II i forhold til fladen 30, der er 20 beliggende i et normalplan til fiberaksen 24. Udøvelsen af opfindelsen skal nu beskrives med henvisning til fig.

4, der angiver en mere præcis præsentation af, hvorledes opfindelsen udøves, end de andre figurer, der mere er tænkt som illustrerende eksempler.

25

Med den i fig. 4 viste konstruktion mindskes tilbagerefleksioner, og der tilvejebringes en energikobling med en udgangsenergitransmissionsakse, der flugter med aksen for det i fig. 1 viste koblingsaggregat 10. Med den i fig. 4 30 viste konstruktion vil det være muligt at styre vinklerne I, II og III (brydningsvinklen for energi, der udsendes fra endefladen 22 til det omgivende, eksterne medium), hvilket kan gøres med passende ændringer af brydningsindeksene for fiberen 14 og mediet uden for fiberens ende-35 flade 22. Selv om energitab må forventes i koblingen som følge af refleksion fra endefladen 22, vil spredningen af den reflekterede energi i forbindelsen være af væsentlig DK 166521 B1 5 større betydning for brugeren. I denne sammenhæng vil industrien være væsentlig bedre tjent med konnektorer, der har et kendt og konstant energitab og lave reflektivi-tetskarakteristikker, end konnektorer, der udviser en hø-5 jere koblingseffektivitet, men med andre praktiske ulemper.

Med den i fig. 4 viste teknik følger, at vinklen I bestemmes, så fiberaksen 24 og udgangstransmissionsaksen 18 10 skærer hinanden med en spids vinkel. Vinklen II vælges, så der ikke er ortogonalitet mellem planet, hvori fiberens endeflade 22 er beliggende, og fiberaksen 24. Ved at betragte en single mode fiber skal vinklen li vælges, så den er omtrent lig med eller større end 0,6 λφ/ϋηρ, hvor 15 Kq er bølgelængden i vakuum for det lys, der udbreder sig i fiberen, np er fiberens brydningsindeks og D er diameteren af fiberens lysførende kerne målt i samme enheder som vakuum bølgelængden for det lys, der udbreder sig i fiberen. Med bestemmelsen af denne vinkel fastlægges også 20 vinklen 3, der er afhængig af vinklen II og de indgående elementers fysiske brydningsindeks.

Eksempelvis kan vinklen II være i størrelsesordenen 3,6°.

Fra kendte regler omkring lysets brydning fremkommer lig-25 ningen (1) som nedenfor: sin III/sin II = np/nM, (1) hvor np er brydningsindekset for fiberen 14 og er 30 brydningsindekset for mediet uden for fiberens endeflade 22. For en typisk fiber vil brydnings indekset np være omkring 1,5. Når det eksterne er luft vil brydningsindekset n^ være omkring 1,0. For de små vinkler, der her er på tale vil sinus til en vinkel tilnærmelsesvis være lig med 35 vinklen selv. Vinklen III vil derfor være np gange vinklen II, hvilket i det ovenstående eksempel vil være omkring 5,4°. Koblingen langs transmissionsaksen 18 er så- 6 DK 166521 B1 lede's opnået, hvor vinklen I er omkring 1,8°. I eksemplet kan summen af vinkler mere generelt udtrykkes ved I + II = in.

5 I andre sammenhænge kan man med den i fig. 4 viste konstruktion begynde med at vælge den ønskede refleksionsreduktion ved at vælge vinklen II. Samtidig vælges vinklerne I og III til opnåelse af transmission langs udgangsaksen 18.

10

Hed hensyn til refleksioner mod venstre fra endefladen 22 udbøjes disse fra fiberens længdeakse 24 med en vinkel 34 i en retning 32, hvor de udbøjede refleksioner er uskadelige. I det ovenstående eksempel vil vinklen 34 være to 15 gange vinklen II og være i størrelsesordenen 7,2°. Som følge heraf vil den reflekterede bølge ikke bidrage med. signifikante signaler tilbage langs fiberkernen.

Fig. 5 viser en konnektor 44, der omfatter en muffe 45, 20 som har to indvendige kegleflader 45a og 45b, der er indrettet til at modtage det i fig. 1 og 2 viste optiske fiberkoblingsaggregat 10 og et andet optisk fiberkoblingsaggregat 46, der indeholder en fiber 48 og et hus 50 og som er opbygget på kendt vis, dvs. fiberens endeflade 52 25 har et cirkulært tværsnit på tværs af længdeaksen for fiberen 48 og passer nøjagtigt til koblingsgrænsefladen 36.

Ved den viste udførelsesform reduceres den energimængde, der reflekteres fra endefladen 52 tilbage til fiberen 14 langs aksen 24, i forhold til den energimængde, der vil 30 forekomme ved tilpassede koblingsaggregater, når begge disse er anbragt som koblingsaggregatet 46, hvor denne sidstnævnte konstruktion har fundet kommerciel anvendelse. Den forbedring, der opnås med den fig. 5 viste konstruktion, opnås ved, at endefladen 22 for fiberen 14 er 35 skråtstillet i forhold til fiberens længdeakse, og at fiberen selv er skråtstillet i forhold til energiudgangs-aksen. Forholdet mellem de enkelte komponenter er vist i DK 166521 Bl 7 større målestok i fig. 6, hvor længdeaksen 49 for fiberen 48 er sammenfaldende med udgangsaksen 18 for fiberen 14.

Fig. 7 viser en særdeles hensigtsmæssig udførelsesform ifølge opfindelsen, idet der her ses en konnektor, hvor 5 refleksionerne langs fiberaksen 24 er yderligere reduce-ret i forhold til hvad der opnås ved den i fig. 5 viste udførelsesform. En konnektor 54 har en muffe 55, hvori fiberkoblingsaggregatet 10 optages sammen med et fiberkoblingsaggregat 56, der er opbygget på samme måde som 10 koblingsaggregatet 10, dvs. er udformet med en fiber 58, der er optaget i et hus 60 på samme måde, som koblingsaggregatet 10's fiber 14, og som er udformet-med en skråt-slebet endeflade 62, der er skråtstillet i forhold til fiberen 58's længdeakse 64 med samme vinkel, som forefin-15 des mellem fiberen 14's endeflade 22 og længdeaksen 24.

Fig. 8 viser det geometriske forhold mellem fibrene 14 og 58, og det fremgår, at fibrene 14 og 58 deler en fælles energitransmissionsakse 18.

20 Den foreliggende opfindelse er hidtil beskrevet i forbindelse med udførelsesformer, hvor hele passagen 16 er indeholdt i endedelene af det i fig. 1 viste hus, og skråtstillet i forhold til transmissionsaksen, men det vil kunne forstås, at opfindelsen kan udøves og fordelene 25 forbundet hermed vil kunne opnås ved blot at anbringe en del af passagen og den iboende fiber ved en sådan hældning. Derved vil fiberens ende og dens endeflade 22 kunne fastgøres ved vinklen I, mens den øvrige del af fiberen kan forløbe på andre måder inde i huset.

30

Det vil endvidere være klart, at opfindelsen kan udøves ved cylindriske svøb, der indeholder fibre, idet fastgørelsesdelen blot skal have cylindriske boringer for modtagelse og omslutning af svøbet. Opfindelsen vil desuden 35 være anvendelig i forbindelse med multimode fibre, hvilket vil kunne forstås af en fagmand baseret på den foregående forklaring af opfindelsen for single mode fibre.

Claims (9)

1. En optisk fiberkonnektor (10) omfattende et hus (12) 5 med en derigennem forløbende passage (16), hvori en optisk fiber (14) optages, hvor huset (12) har en central koblingsakse (18) og i det mindste endedelen af passagen (16) strækker sig langs en akse, der danner en spids vinkel (I) med den centrale koblingsakse (18) for huset 10 (12), hvorved den optiske fiber (14) fastholdes ved nævn te spidse, første vinkel (I) i forhold til koblingsaksen (18), hvilken optisk fiber (14) har en endeflade (22), der gennemskæres af den centrale koblingsakse (18) for huset (12), hvilken fiberendeflade (22) danner en spids 15 vinkel (II) i forhold til planet ortogonalt på den tilgrænsende fibers længdeakse (24), kendetegnet ved, at summen af den spidse første vinkel (I) og den spidse anden vinkel (II) er lig med en vinkel (III), hvormed en lysstråle, der passerer fra nævnte endeflade 20 (22) ind i det omgivende medium uden for den optiske fi ber (14) brydes, så at lysstrålens udgangsakse er bragt til at flugte med husets centrale koblingsakse (18).

2. Koblingskonnektor ifølge krav 1, kendetegnet 25 ved, at vinklen (II) er omkring eller større end 0,6 delt med diameteren D af fiberens lysførende kerne gange brydnings indekset np for fiberen (12), hvor er lig med fritrumsbølgelængden for lyset, der udbreder sig i fiberen. 30

3. Koblingskonnektor ifølge krav 1, kendetegnet ved, at huset (12) har en endedel med en udvendig kegle-stubformet flade (20).

4. Koblingskonnektor ifølge krav 1, kendetegnet ved, at huset (12) har udvendige fladeafsnit (12a, 12b) i umiddelbar nærhed af fiberendefladen (22), hvor disse DK 166521 B1 fladeafsnit (12a, 12b) ligeledes er skråtstillede ved nævnte spidse anden vinkel (II).

5. Konnektor ifølge krav 1-4, kendetegnet ved 5 yderligere at omfatte et andet hus (50, 60) med en gennemgående passage, hvori en optisk fiber (48, 58) er optaget, hvilket andet hus (50, 60) har en central kob lingsakse, der aksialt flugter med det første hus (12)'s koblingsakse, hvilken anden optisk fiber (48, 58) har en 10 fiberendeflade (52, 62), der gennemskæres med koblingsak sen (18) på den fra det første hus udgående lysstråle, hvorved der tilvejebringes en optisk kobling med den første fiberendeflade (22).

6. Konnektor ifølge krav 5, kendetegnet ved, at i det mindste en del af passagen i det andet hus (50, 60) strækker sig langs en akse (64), der danner en spids tredie vinkel (III) med koblingsaksen (18) for lysstrålen fra det første hus. 20

7. Konnektor ifølge krav 6, kendetegnet ved, at den anden fiber (58) har en endeflade (62) der danner en spids fjerde vinkel i forhold til den anden fiber (58)'s længdeakse (64). 25

8. Konnektor ifølge krav 3 og 7, kendetegnet ved, at det andet hus (60) har en endedel med en udvendig keglestubformet flade.

9. Konnektor ifølge krav 7, kendetegnet ved, at den tredie vinkel er lig med den første vinkel, og at den fjerde vinkel er lig med den anden vinkel. 35